2011年4月5日，美國私營航天公司：太空探索公司Space X首席執(zhí)行官馬斯克宣布，他們正在研制一種自人類登月以來最強大的火箭，即：獵鷹重型火箭。當時馬斯克還公布了獵鷹重型火箭的設(shè)計細節(jié)及性能數(shù)據(jù)。如今獵鷹重型火箭早已取得成功，并且一舉成為美國土星-5火箭退役后，世界上最大的運載火箭。由于具有可回收重復(fù)發(fā)射使用的特性，獵鷹重型火箭還有著較低的發(fā)射費用。直接引領(lǐng)世界，開啟了火箭重復(fù)使用的航天新紀元。今天我們就來聊一聊獵鷹重型火箭。
獵鷹重型火箭
二、獵鷹重型火箭的基本參數(shù)獵鷹重型火箭其實是在之前的獵鷹9號發(fā)展過來的，獵鷹重型火箭使用的發(fā)動機與之前的獵鷹9號是一樣的，在結(jié)構(gòu)材料等各方面也比較相同。一級使用的是3個芯級并聯(lián)組成，也就是說，一共有27個梅林發(fā)動機，每一個芯級都可以完全等同于獵鷹9號的一級水平，每一個芯級，都可以進行重復(fù)回收使用。獵鷹9號已經(jīng)是SpaceX公司一個相當成熟的產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，獵鷹重型已經(jīng)實現(xiàn)了重大突破，無論在外觀還是整個性能方面，都擁有世界級的領(lǐng)先地位。
獵鷹九號火箭
獵鷹重型火箭，相當于三個獵鷹九號
整個火箭的高度將近70米，70米是什么樣的概念？大約能夠達到20層樓那么高，而其寬度則達到了12.2米，在起飛重量可以達到1420噸，標稱近地軌道運力則達到了63.8噸，從某種程度來說，它幾乎等同于一架滿載著乘客的波音737飛機。它是全球第一個可以進行重復(fù)使用的重型運載火箭，開辟了全球火箭的先河。獵鷹重型火箭發(fā)射之后，3枚一級火箭全部進行回收，其中有兩枚將會在肯尼迪的航天中心進行同步的降落，而第三枚芯一級火箭，則會降落在海上，SpaceX公司將會在海上完成回收。
獵鷹重型火箭助推器分離
三、獵鷹重型火箭的技術(shù)特點獵鷹重型運載火箭使用了大量先進的航天材料以及航天技術(shù)，比如"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發(fā)動機、"交叉運輸"技術(shù)、結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計等。此外，還有一個最重要的，就是火箭的重復(fù)利用技術(shù)，這是整個美國運載火箭的重大突破，也是整個全球火箭行業(yè)當中的重大突破。
1、全面使用"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發(fā)動機技術(shù)
首先，我們來說一下"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發(fā)動機技術(shù)。獵鷹重型是第一個使用該技術(shù)的火箭，而且其質(zhì)量已經(jīng)完全降到了讓人震驚的程度，為什么這樣說？是因為其助推器的質(zhì)量比已經(jīng)完全超過了30，而德爾他-4的注明運載火箭的質(zhì)量比也遠遠落后于它，僅僅為10左右。因此，火箭雖然整體全部都使用了低比沖液氧/煤油發(fā)動機，但是運載系數(shù)方面，卻比德爾他-4的重型運載火箭要優(yōu)秀很多。
2、推進劑"交叉運輸"技術(shù)
推進劑"交叉運輸"技術(shù)也是美國首次在該火箭當中使用，在它的加持下，可以實現(xiàn)火箭助推器以及芯級之間實現(xiàn)推進劑的對流，然后讓其可以保證助推器在分立的時候，芯級仍然可以擁有最多的推進劑，讓它能夠輕松實現(xiàn)三級火箭的性能。在發(fā)射比較輕的載荷的時候，可以完全關(guān)閉這個技術(shù)，這樣，整個火箭的運輸能力雖然有一些下降，不過，復(fù)雜性卻明顯減少了，因此，這也就有效降低了事故的發(fā)生概率。在保障安全性能的同時，還能夠讓運載火箭技術(shù)的各方面發(fā)展達到有效的控制，這也不得不讓所有的行業(yè)公司都為之驚嘆。
3、構(gòu)冗余設(shè)計
獵鷹重型火箭的可靠性非常高，其設(shè)計留有40％的結(jié)構(gòu)冗余，而普通運載火箭僅有25％?；鸺谝患壊捎?7臺發(fā)動機的設(shè)計結(jié)構(gòu)，具備在單臺或多臺發(fā)動機出現(xiàn)故障時，仍可順利完成發(fā)射任務(wù)的獨特能力。此外，火箭還裝備了三重冗余的航天電子設(shè)備和雙重啟動的級間分離螺栓。這些設(shè)計使得。獵鷹重型成為一種極為安全可靠的運載火箭，同時也完全符合美國航空航天局的載人航天標準。
4、火箭回收技術(shù)
我在之前的與火箭的回收方式相關(guān)的三篇文章介紹過，實際上自從火箭的誕生以來，工程師們就一直在尋找火箭回收重復(fù)使用的辦法。早期的試驗主要是以傘降回收方式為主，后來美國在航天飛機項目中，使用傘降回收方式成功回收并重復(fù)使用了兩個助推器。這成為火箭重復(fù)使用的一大進步。不過美國的航天飛機由于維護成本太高，盡管實現(xiàn)了助推器與軌道器的重復(fù)使用，也還是沒有把成本降下來。這也是后來導(dǎo)致其早早退役的一個主要原因。
早期進行的傘降回收試驗
獵鷹火箭采用的是垂直返回式回收，回收精度更高，但是技術(shù)也更為復(fù)雜
馬斯克的獵鷹火箭采用的是垂直回收方式，這種方式好在能夠精準的著陸。但是對技術(shù)的要求也要比傘降式高得多。越是細長的物體越是難以控制其姿態(tài)。獵鷹9號火箭的可回收的第一級高度超過了14層樓，而重量則達到了10噸，最大的速度可以達到1500米/秒，降落回收的區(qū)域則是僅僅為幾十米寬的樣子，而獵鷹重型則相當于3個獵鷹9號在同時進行回收，無論是火箭的姿態(tài)控制，還是各種協(xié)調(diào)控制、落點精度控制等都是十分復(fù)雜的。
5、火箭重復(fù)使用的成本控制
在火箭回收后，能否通過簡單的維護就投入下一次的發(fā)射使用也直接影響到火箭的發(fā)射成本問題。如果火箭的發(fā)射成本降不下來，那火箭的回收遲早會步入美國航天飛機的后塵，也就沒有多大的現(xiàn)實意義。不過獵鷹重型火箭通過重復(fù)使用實現(xiàn)了大幅度降低發(fā)射成本的目標。
就發(fā)射成本來說，美國空軍2012財年的發(fā)射預(yù)算為17.4億美元，其中每次發(fā)射費用平均為4.35億美元，而獵鷹重型火箭平均每次發(fā)射費用僅為一億美元左右。從獵鷹重型火箭的身上我們可以看到，重復(fù)使用的可回收火箭在未來的商業(yè)航天活動中大有可為。
我們來看一下美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的發(fā)展歷程：2002年成立，2006年就進行火箭首飛（不過未能成功），2008年獵鷹1運載火箭首次成功發(fā)射，2010年成功實現(xiàn)獵鷹9中型火箭首飛。2012年，SpaceX公司開始進行垂直起降復(fù)用技術(shù)飛行試驗，2015年獵鷹9火箭首次完成陸地回收，2016年實現(xiàn)獵鷹9火箭的海上回收。2017年，SpaceX公司不僅完成了其首次軍事載荷發(fā)射任務(wù)，還首次實現(xiàn)獵鷹9火箭復(fù)用并且成功完成18次發(fā)射任務(wù)，占美國全年發(fā)射數(shù)量的2/3，一躍成為美國最重要的發(fā)射服務(wù)商。2018年SpaceX實現(xiàn)了獵鷹重型火箭首飛，完成了同一枚火箭一子級的三次發(fā)射。開啟了人類探索太空的新篇章。
或許在馬斯克進軍航天領(lǐng)域，開展火箭回收重復(fù)使用的時候沒有多少人看好他的這一行動，或許Space X的成功離不開美國航天局的全力支持，但是作為一家民營企業(yè)，能夠引領(lǐng)當今時代運載火箭的發(fā)展潮流，用短短的十來年時間就站在了世界航天技術(shù)的頂峰，這都是史無前例，令人驚嘆和佩服的。
(文/云端風火)
